水泥路面瀝青加鋪層的裂縫研究★

喬 喚 小

(太原市市政工程總公司，山西 太原　030002)

1　概述

由于水泥路面具有穩(wěn)定性好、載荷擴(kuò)展能力強(qiáng)、剛性大以及使用壽命很長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為許多高等級(jí)交通道路上的廣泛采用的一種路面結(jié)構(gòu)，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于重型道路交通。但是，隨著時(shí)間的推移和交通載荷不斷增強(qiáng)，早期的水泥路面均已出現(xiàn)不同程度的病害，影響了正常交通運(yùn)輸服務(wù)，需要對(duì)水泥路面進(jìn)行維護(hù)與維修。在原有水泥路面添加瀝青加鋪層能夠有效改善原有水泥路面的行車狀況，并且施工成本低、對(duì)正常交通影響小，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外維修水泥路面普遍采用的技術(shù)措施。

雖然在原有水泥路面加注瀝青加鋪層能夠提高路面使用壽命，改善交通狀況，但是其技術(shù)復(fù)雜程度卻比直接鋪設(shè)瀝青路面要復(fù)雜，并且后續(xù)出現(xiàn)病害的概率也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接鋪設(shè)瀝青路面，顯然其使用壽命也短于新瀝青路面。影響水泥路面瀝青加鋪層正常使用和降低其使用壽命的主要病害就是路面裂縫。這種裂縫往往難以有效徹底根除，一直是國(guó)內(nèi)外道路交通研究者關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。

2　路面加鋪層裂縫形成機(jī)理

從力學(xué)分析角度，分析路面加鋪層裂縫的方法可以包括兩類：一階段斷裂力學(xué)方法和兩階段斷裂力學(xué)方法。一階段斷裂力學(xué)方法首先將水泥路面加鋪層的瀝青混凝土看作是一種具有初始缺陷的建筑材料；然后將初始缺陷作為裂縫的初始長(zhǎng)度，這樣在車輛載荷的不斷作用下，裂縫就會(huì)從微觀發(fā)展為肉眼可辨識(shí)的宏觀，進(jìn)而嚴(yán)重影響水泥路面加鋪層的瀝青結(jié)構(gòu)。兩階段斷裂力學(xué)方法將路面加鋪層的瀝青混凝土看作是缺陷材料考慮，但將路面裂縫的形成過(guò)程分為兩個(gè)階段：?jiǎn)⒘央A段和裂縫擴(kuò)展階段。

2.1　反射裂縫的成因

水泥路面加鋪層的瀝青裂縫形成大致可以分為兩種：載荷型裂縫和非載荷型裂縫。其中非載荷型裂縫中最主要的是溫度型裂縫。溫度型裂縫包括由溫度和干縮引起的裂縫。

1)溫度型裂縫。

道路交通環(huán)境的變換是造成道路路面裂縫的主要原因之一，其中起到主要作用的就是溫度的變化。由于溫度的變化會(huì)引起水泥路面瀝青加鋪層出現(xiàn)兩種變形：第一種是一年四季的溫度變化影響了水泥路面瀝青加鋪層的接縫，接縫隨著溫度的變高和變低出現(xiàn)收縮和擴(kuò)張，最終引發(fā)路面裂縫。例如，在冬季比較寒冷時(shí)，原有水泥路面混凝土就會(huì)出現(xiàn)收縮變形，導(dǎo)致路面接縫處的寬度變大，再加上舊有水泥路面與新加瀝青加鋪層之間的粘結(jié)力會(huì)帶動(dòng)加鋪層收縮。這樣就會(huì)造成接縫處出現(xiàn)集中應(yīng)力，一旦應(yīng)力超出的水泥路面瀝青加鋪層的強(qiáng)度承受限度后，瀝青加鋪層就會(huì)出現(xiàn)裂縫。由溫度引發(fā)的第二種裂縫是晝夜溫差引發(fā)的，這是由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，而晝夜溫差導(dǎo)致水泥路面瀝青加鋪層中的溫度分布不均勻，瀝青加鋪層出現(xiàn)不一致的收縮和翹曲而引起加鋪層裂縫。

2)荷載型裂縫。

不但環(huán)境溫度會(huì)影響水泥路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性引發(fā)裂縫，道路交通載荷也是引發(fā)水泥路面瀝青加鋪層裂縫的重要因素。由道路交通載荷引發(fā)的瀝青路面加鋪層裂縫主要是剪切型發(fā)射裂縫，下面簡(jiǎn)要闡述其形成原因。瀝青加鋪層是后續(xù)加裝到原有水泥路面上的，而原有水泥混凝土面板中不可避免地存在接縫或裂縫，加鋪完瀝青加鋪層后，當(dāng)?shù)缆方煌ㄝd荷作用到接縫或裂縫處時(shí)，原有水泥混凝土板就率先出現(xiàn)向下彎曲，隨著路面載荷的駛離，彎曲回復(fù)。長(zhǎng)期的彎曲與回復(fù)就會(huì)導(dǎo)致接縫或裂縫兩側(cè)的板端出現(xiàn)移位偏差，此時(shí)接縫或裂縫上方的新加瀝青加鋪層就要經(jīng)受較大的剪切應(yīng)力。同樣，當(dāng)剪切應(yīng)力超出瀝青加鋪層的強(qiáng)度限制后，接縫或裂縫處就會(huì)出現(xiàn)路面裂縫。

2.2　裂縫的擴(kuò)展

水泥路面瀝青加鋪層出現(xiàn)裂縫后，在溫度和載荷的不斷作用下，裂縫會(huì)不斷橫向和縱向擴(kuò)展，一直到達(dá)加鋪層表面。根據(jù)裂縫受到的不同載荷作用，可以將裂縫變形的形式分為三類：張開型、剪切型和撕開型。

1)張開型。

張開型是指在應(yīng)力作用下，裂縫產(chǎn)生張開位移形成裂縫擴(kuò)展。張開型擴(kuò)展的主要特點(diǎn)是裂縫的上表面與下表面沿著應(yīng)力方向的位移不連續(xù)。根據(jù)水泥路面瀝青加鋪層裂縫的成因分析可知，張開型模式通常對(duì)應(yīng)于由溫度導(dǎo)致的路面裂縫。此種裂縫早期出現(xiàn)于面層底部，在應(yīng)力作用下，逐漸擴(kuò)展到瀝青加鋪層的表面。

2)剪切型。

剪切型是指在平行于裂縫面而與裂縫尖端線垂直方向的剪應(yīng)力作用下，裂縫沿著剪切力的方向出現(xiàn)位移而形成的一種裂縫擴(kuò)展。結(jié)合水泥路面瀝青加鋪層裂縫的成因分析可知，與剪切型裂縫擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)的是載荷型裂縫。該類裂縫擴(kuò)展通常出現(xiàn)在瀝青加鋪層的底部，這是因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)正載荷時(shí)，瀝青加鋪層裂縫會(huì)向上垂直擴(kuò)展；而如果出現(xiàn)的偏載荷，瀝青加鋪層裂縫會(huì)沿斜45°向上擴(kuò)展。

3)撕開型。

撕開型是指在平行于裂縫面而與裂縫尖端線垂直方向的切應(yīng)力作用下，裂縫出現(xiàn)沿著裂縫面外，也就是沿著切應(yīng)力方向的相對(duì)滑動(dòng)而形成的一種裂縫擴(kuò)展。與撕開型裂縫擴(kuò)展相對(duì)的裂縫成因很少。

3　防治路面加鋪層裂縫措施

3.1　設(shè)置土工合成材料

在原有水泥路面混凝土和瀝青加鋪層之間鋪設(shè)土工合成材料能夠顯著降低瀝青加鋪層出現(xiàn)的概率。常用的土工合成材料包括土工布、塑料格柵以及玻纖格柵等。土工合成材料的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效抵御變形，承受住水平方向上的應(yīng)力，但其在垂直方向的受力剛度較小，不能有效抵抗剪切力。下面以玻纖格柵材料為例介紹土工合成材料抗瀝青加鋪層裂縫的施工過(guò)程。

玻纖格柵是一種瀝青加鋪層施工過(guò)程中十分常用的土工合成材料。其特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度高、延伸率小、無(wú)蠕變、抗老化、耐腐蝕、高溫穩(wěn)定性好、與瀝青混合料的相容性好。玻纖格柵能夠緩沖瀝青加鋪層與水泥路面混凝土之間的應(yīng)力，有效隔離水泥接縫因溫度變化而導(dǎo)致的突變，改善了加鋪層的應(yīng)力分布，降低了應(yīng)力突變對(duì)瀝青加鋪層的影響與破壞。因此，在水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪設(shè)玻纖格柵能夠延緩由于水泥路面接縫處應(yīng)力變化引發(fā)的瀝青加鋪層裂縫。

3.2　舊水泥板塊的修補(bǔ)與加固

在瀝青加鋪層施工之間，對(duì)原有水泥混凝土路面進(jìn)行病害修補(bǔ)。特別是對(duì)于嚴(yán)重破碎的板塊進(jìn)行加注與補(bǔ)板，對(duì)接縫與裂縫進(jìn)行灌縫施工。此外，還要對(duì)板塊間彎沉差較大的板塊，有錯(cuò)臺(tái)、裂縫等病害板塊進(jìn)行注漿穩(wěn)固處理等。這樣可以顯著降低由于水泥路面缺陷而引發(fā)的瀝青加鋪層裂縫。這是因?yàn)樾扪a(bǔ)與加固舊有水泥板塊可以降低板塊在載荷作用下的豎向變形，為瀝青加鋪層提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的施工基礎(chǔ)，有效降低瀝青加鋪層層中的剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力，可以延緩裂縫發(fā)生。

3.3　適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度

在水泥路面瀝青加鋪層施工過(guò)程中，適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度可以起到延緩路面裂縫的作用。這是因?yàn)闉r青加鋪層的厚度增加后，裂縫由面層底部擴(kuò)展到瀝青加鋪層表面的時(shí)間就被延長(zhǎng)了。不但如此，路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度也隨之增加了，可以有效降低接縫處的彎沉量和彎沉差。此外，依據(jù)斷裂力學(xué)原理，瀝青加鋪層厚度的增加可以明顯減少裂縫尖端應(yīng)力，所以起到延長(zhǎng)瀝青加鋪層壽命的作用。

3.4　鋸切橫縫

鋸切橫縫是一種控制瀝青加鋪層開裂，而不是徹底消除瀝青加鋪層裂縫的方法。其施工過(guò)程就是在瀝青加鋪層上，對(duì)舊有水泥混凝土面層的橫縫鋸切出新的橫縫，并且盡快填入封縫料，切記保證接縫密封，防止異物進(jìn)入，特別是要防止水進(jìn)入。鋸切橫縫可以有效釋放加鋪層內(nèi)因溫度收縮受阻產(chǎn)生壓拉應(yīng)力，起到控制裂縫隨意出現(xiàn)的作用。但在施工過(guò)程中要注意接縫的養(yǎng)護(hù)工作。此種處理措施原有水泥混凝土的結(jié)構(gòu)良好，且接縫處的彎量較小的路面。大量實(shí)踐結(jié)果表明，鋸切橫縫對(duì)瀝青加鋪層裂縫的控制效果很好。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)的水泥路面瀝青加鋪層的廣泛應(yīng)用，瀝青加鋪層裂縫已經(jīng)成為影響道路使用壽命的首要問(wèn)題。文中分析了瀝青加鋪層裂縫的形成機(jī)理，包括裂縫成因和擴(kuò)展類型，結(jié)合裂縫形成機(jī)理，提出了有針對(duì)性的防治措施。具體是通過(guò)設(shè)置土工合成材料、修補(bǔ)與加固舊水泥板塊、鋸切橫縫等措施限制瀝青加鋪層裂縫，從而增加瀝青加鋪層的使用壽命。

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